Введение к работе
Актуальность темы
Современная лазерная физика оперирует мощными и ультра- и предельно короткими импульсами электромагнитного излучения когерентно и нелинейно взаимодействующих со средой. При анализе когерентной динамики мощных ультакоротких импульсов можно выявить области параметров задачи, где существуют нелинейные моды в виде периодических и уединённых волн (обобщённо солитонов). Вместе с тем, актуальным является поиск решений в более общих моделях взаимодействия импульсного электромагнитного излучения с веществом, для которых стационарные импульсы (солитоны) используются как тестовые решения для численного моделирования нестационарных и переходных процессов при распространении волн (в т.ч. поляризованных) в нелинейных средах.
Для быстроразвивающейся прикладной области передачи и обработки оптической информации и для фундаментальных и прикладных оптических исследований создаются искусственные среды, как правило, низкой размерности (оптические волокна с материальной дисперсией и не-линейностями различного типа, тонкие плёнки), электромагнитный отклик которых контролируется резонансными примесями разной физической природы: резонансными атомами, квантовыми точками, плазмонными наноструктурами. Исследование динамики таких откликов, выполненное в диссертации, является актуальной задачей.
Значительный технологический прогресс в создании метасред, обладающих свойством отрицательного преломления («левых» сред) в оптическом диапазоне, делает актуальным исследование в области нелинейной оптики метаматериалов.
В настоящее время с помощью методов когерентной и нелинейной оптики широко исследуется фотоиндуцированная динамика ультрахолодных атомов в такой искусственной среде как бозе-конденсаты в квазиодномерной оптической решётке. В диссертации представлены результаты развития этих методов для модели оптической сверхрешётки, что является актуальной задачей оптики бозе-конденсатов.
Цель работы состояла в развитии теории когерентного взаимодействия электромагнитного излучения с нелинейными искусственными средами, содержащих в себе резонансно поглощающие структурные элементы или резонансные квантовые системы.
В соответствии с этой целью были поставлены и решены следующие задачи: 1. Разработка теории распространение импульса поляризованного света в нелинейном двулуче-преломляющем волокне с учетом нелинейностей третьего и пятого порядков и когерентного взаимодействия излучения с резонансными примесями.
-
Создание аналитических и численных методов описания когерентного взаимодействия электромагнитных импульсов с тонкой пленкой резонансных атомом и квантовых точек в условиях одно - и двухфотонного резонанса и развитие теории нелинейных процессов в таких двумерных средах;
-
Развитие теории распространение предельно коротких импульсов электромагнитного излучения в средах резонансных атомов, молекул или квантовых точек с постоянным дипольным моментом (штарковских средах);
-
Разработка аналитических и численных методов описания ансамбля ультрахолодных атомов в оптической сверхрешётке, находящихся под воздействием внешнего бигармонического электромагнитного поля и исследование нелинейных откликов этой системы;
-
Создание теории нелинейных электромагнитных эффектов в метаматериалах, обладающих отрицательным преломлением, в том числе теории когерентных откликов и генерации гармоник.
Научная новизна
Новым в работе является анализ распространения ультра короткого векторного импульса в волокне при последовательном учёте взаимовлияния таких факторов как двулучепреломление, эффект разбегания поляризованных мод, дисперсия групповых скоростей второго порядка, фазовой кросс- и само модуляции из-за наличия нелинейностей третьего и пятого порядков, реакции примесных атомов с вырожденным резонансным переходом на проходящее излучение, эффекта локального поля.
Обнаружен эффект формирования двухполярного уединённого импульса - ненулевого бризера, найденного при численном анализе модели штарковской среды, взаимодействующей с видеоимпульсом. Впервые продемонстрирована возможность генерирования эффекта эха в штарковских средах на предельно коротких импульсах.
Новой является постановка задачи о прохождении видеоимпульса сквозь тонкий слой среды с постоянным дипольным моментом с учётом эффекта локального поля. Анализ динамики УКИ прошедшего через пленку резонансных атомов с учётом нелинейного взаимодействия волн, неоднородного уширения резонансных переходов, эффекта локального поля и дисперсии подложки.
Научной новизной обладает исследование эффектов взаимодействия поляризованных ультракоротких импульсов с ансамблями квантовых точек и найденные там аналитические решения обобщенной системы уравнений Максвелла-Блоха. Впервые в такой модели обнаружены когерентные эффекты типа эхо.
В модели Бозе-Хаббарда для ансамбля бозе-конденсатов в оптической сверхрешётке впервые исследованы эффекты распространения волн плотности бозонов, продемонстрирована возмож-
ность эффекта эха в когерентном токовом состоянии при облучении решётки импульсами бигар-монического электромагнитного поля, исследована модуляционная устойчивость найденных стационарных решений.
Впервые рассмотрены когерентные эффекты типа осцилляторного эхо при воздействии предельно коротких оптических импульсов на нелинейные метасреды, допускающие изменение знака коэффициента преломления в разных спектральных участках плазмонных колебаний.
Впервые задача о генерации второй и третьей гармоник в лево-правой среде на встречных волнах накачки и гармоники проанализирована с учётом эффектов дисперсии, разбегания волн и нелинейной фазовой модуляции. Новыми являются найденные аналитические решения, описывающие уединённые связанные нелинейные волны фундаментальной и кратных частот.
Оригинальность и новизна результатов подтверждается публикациями в высоко рейтинговых журналах по профилю диссертации.
Научная и практическая значимость работы
Результаты исследований, проведённых в работе, имеют фундаментальное значение, поскольку вносят существенный вклад в понимание процессов когерентного взаимодействия оптических импульсов с резонансными и нелинейными искусственными средами разной природы.
С единых теоретических позиций, учитывающих эффект локального поля, рассмотрено формирование когерентных откликов тонкой плёнки резонансных атомов, атомов с постоянным ди-польным моментом, квантовых точек и плазмонных структур из наночастиц и наноконтуров на возбуждение ультракороткими оптическими импульсами. Учёт, обнаруженных при анализе этих моделей, временных и спектральных свойств прошедших тонкий слой сигналов, таких как пики сверхизлучения, эффекты типа эхо, быстрая релаксация под действием локального поля, формирование сильно запаздывающих откликов в штарковских средах и др., важен в приложениях в устройствах и схемах оптической обработки информации.
Полученные в работе теоретические результаты по исследованию динамики коротких оптических импульсов в нелинейных поляризационных ответвителях и когерентных волоконных усилителях могут быть полезны при разработке устройств передачи и обработки оптической информации. В результате численного анализа и аналитических расчётов выявлена роль взаимосвязанных факторов среды и импульсного поля (резонансные примеси, двулучепреломление, дисперсия групповых скоростей, фазовая кросс- и автомодуляция вследствие комбинированной нелинейности, предельно малая длительность импульсов возбуждения, учёт эффекта локального поля, наличие постоянного дипольного момента резонансных примесных атомов) в их совместном влиянии на временные и поляризационные свойства сигналов в волокне. Обнаружен новый тип уединённого устойчивого сигнала - «ненулевого бризера», импульсная площадь которого не
равна нулю.
В диссертации, в рамках модели Бозе-Хаббарда, теоретически обоснован метод фотоиндуцирования волн ультрахолодных бозонных атомов в оптической решётке ассиметричных двухъям-ных потенциалов воздействием внешнего бигармонического электромагнитного поля. Обсуждается модуляционная устойчивость стационарного распределения бозе-конденсатов в такой искусственной среде.
Практическую значимость в применении необычных свойств метаматериалов имеют проведённые в работе исследования нелинейных нестационарных процессов смешения частот в средах с отрицательным преломлением: генерации третьей гармоники (ГТГ) в среде с отрицательным преломлением волны накачки, нестационарного трёхволнового смешения с удвоением частоты (ГВГ) в «лево-правых» среде, а также исследования когерентных откликов метаматериалов на широкополосное возбуждение ПКИ электромагнитного поля. Работы, вошедшие в диссертацию, выполнялись в рамках федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (Государственный контракт № 02.740.11.0222 по теме «Взаимодействие коротких импульсов лазерного излучения с веществом). Диссертационные исследования поддерживались Российским Фондом Фундаментальных исследований (гранты 03-02-16979-а (2003-2005), 06-02-16406-а (2006-2008), 09-02-00701-а (2009-2011))
В диссертации сформулированы и обоснованы научные результаты и выводы, совокупность которых представляет собой основу нового научного направления: динамика нелинейных уединенных электромагнитных волн в одномерных и двумерных искусственных средах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Теория нелинейного переключения состояния поляризации оптического импульса в двулуче-преломляющем волокне; эффект запирания переключателя в сильном поле.
-
Теория распространения ультракоротких импульсов (УКИ) и когерентных переходных процессов в нелинейном двулучепреломляющем легированном резонансными примесями волокне, которая предсказывает эффект подавления самоиндуцированной прозрачности; многоимпульсное фотонное эхо в сопряжённом поляризационном канале.
-
Выражение для электрического поля огибающей стационарного импульса, распространяющегося в двулучепреломляющем волокне с конкурирующими нелинейностями третьего и пятого порядков и результаты расчетов, демонстрирующих устойчивость этих импульсов при нелинейном кросс взаимодействии их поляризационных компонент. Векторный % -импульс и явление пленение населенности в когерентном волоконном усилителе.
-
Результаты численного и аналитического исследования когерентной динамики нелинейных
уединённых волн в системе резонансных атомов с постоянным дипольным моментом. Обнаружение в численном эксперименте предельно короткого по длительности электромагнитного объекта - ненулевого бризера и исследование его свойств.
-
Теория когерентных откликов тонкой резонансной плёнки резонансных атомов, квантовых точек и атомов с постоянным дипольным моментом на возбуждение ультракороткими и предельно короткими оптическими импульсами.
-
Теория взаимодействия ультракоротких импульсов поляризованного излучения с ансамблем двухэлектронных полупроводниковых квантовых точек. Когерентные эффекты типа сверхизлучения, фотонного эхо и оптических нутаций, поляризационные и временные особенности откликов резонансной среды квантовых точек.
-
Модель оптической сверхрешётки (ОСР) заполненной ультрахолодными бозонами. Эффект эхо отклика в системе бозе-конденсатов в узлах ОСР. Результаты исследования фотоиндуциро-ванной динамики бозе-эйнштейновского конденсата в ОСР. Эффект модуляционной неустойчивости однородного заполнения ОСР атомами конденсата.
-
Результаты исследования генерации второй и третьей гармоники в нелинейных метаматериа-лах. Теория когерентных откликов от тонкой пленки резонансного метаматериала на ПКИ возбуждение.
Апробация работы
Результаты исследований, включенные в диссертацию, докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: II-V Международные конференции «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург 2000, 2002, 2004, 2006, 2008), X-XIV Международные конференции «Оптика лазеров» ( Санкт-Петербург 2002, 2004, 2006, 2008, 2010), Международная конференция по квантовой электронике (IQEC) (Москва 2002), XIV,XXI-XXIII Международные конференции по когерентной и нелинейной оптике (ICONO) (Ленинград 1991, Санкт-Петербург 2005, Минск 2007, Казань 2010), VII - IX Международные симпозиумы по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (PECS) (Новгород 2001, Калининград 2005, Казань 2009), VIII-X Международные чтения по квантовой оптике (RVQO) (Казань 1999, Санкт-Петербург 2003, Самара 2007), Международная конференция по когерентному контролю фундаментальных процессов в оптике и оптике х-лучей (CCFP'2006) (Нижний Новгород 2006), Международный симпозиум «Когерентная и нелинейная оптика искусственных сред» (CNOAM) (Лиссабон 2006), Конференция по квантовой электронике и лазерной физике (CLEO/QELS 2007) (Балтимор, Мэрилэнд 2007), Научные сессии НИЯУ МИФИ (2004, 2006, 2007, 2008, 2011)
Публикации
По теме диссертации опубликовано 39 работ. Основные результаты диссертации содержатся в 26
статьях в российских и зарубежных рецензируемых журналах и 13 работах, опубликованных в трудах международных конференций
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы диссертации. Список литературы включает 430 наименований. Общий объем диссертации составляет 401 страницу, включая 143 рисунка.
